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仓库管理模型：分类与实例
摘要
本文讨论了仓储系统，提出了仓储管理问题的分类。我们从类型学开始，简要描述几种类型的仓储系统。接下来，我们将介绍在建立仓储系统时遇到的决策问题的层次结构，包括理由、设计、计划和控制问题。此外，还讨论了支持这些级别决策的模型的示例，例如分配系统设计、仓库设计、空间限制下的库存管理、存储分配以及仓库操作的分配和调度。
关键字
库存系统、仓库管理、库存分配与分配、正向/储备问题、物流
1、简介
根据供应链管理的原则，现代公司试图通过在短时间内交付的整个物流链的最小库存来实现大批量生产和分销。上述变化对仓库管理产生了巨大影响。必须以更短的响应时间更频繁地交付较低数量的库存单位（SKU）。为了进一步减少总库存，许多公司将几个相对较小的配送中心（DC）替换为数量较少、分布广泛的大型DC。通常，整个大陆，如北美或欧洲，在战略位置上由少数跟单信用证提供服务。
这些发展极大地影响了现有的库存研究范式。不幸的是，库存理论研究者对仓库等存储系统的管理关注相对有限。通常，它被认为是一个主要的技术问题，因此属于不同的领域，即材料处理研究。本文的目的是表明，除了库存与仓库管理问题之间的密切关系外，仓库管理问题往往具有深刻而优雅的定量分析。
新的市场力量，加上物料处理技术的快速发展，对仓库内部的运作产生了极大的影响。较短的产品生命周期会给高库存带来财务风险，因此也会给资本密集型高性能仓储系统的购买带来财务风险。另一方面，集中的库存管理要求提高生产效率，缩短仓储系统的响应时间。本文旨在说明仓储系统规划和控制的复杂模型和决策支持系统对库存管理的整体研究具有重要意义。
由于信息技术的最新进展和商业信息系统的引入，这些发展已经成为可能。业务信息系统支持企业的管理流程。例如，企业资源计划（ERP）系统是基于MRP的业务信息系统，它管理所有有关财务、人力资源、生产计划和库存管理的流程。ERP系统通常支持的其他功能包括运输计划、仓库管理、生产调度和订单输入/订单处理。除了ERP系统之外，还有一些专门的系统在复杂的操作中支持这些功能。这些不同的系统通过电子数据交换（EDI）连接在一起。这种专门系统的例子是仓库管理系统，它促进了仓库流程的注册、规划和控制，以及库存管理系统。本文提出的模型可以在库存管理和仓库管理系统中实现，从而与目前使用的方法和模型相比，在仓库操作中提供显著的性能改进。
本文的组织结构如下。在第2节中，我们介绍了仓储系统的类型学和简短回顾。接下来，我们将在第3节中讨论仓库规划问题。第4节对支持仓库规划决策的模型示例进行了取消投票。在第5节中，我们总结了本文并讨论了进一步研究的机会。
2、仓储系统：类型与回顾
物料搬运是指物料（原材料、废料、堆场、半成品和成品）在生产过程中、仓库和仓库中以及收货和装运区域的移动[1]。物料处理涉及物流和仓储。典型的物流设备有：输送机、叉车、自动导向车辆（AGV）、穿梭机、高架起重机、电力和免费输送机。仓储涉及仓库、收货和装运区域内发生的物料处理活动，即收货、储存、订单挑选、积累、分类和装运。
基本上，我们可以区分三种类型的仓库：
（1）分销仓库
（2）生产仓库
（3）合同仓库
分销仓库是一个仓库，其中收集（有时组装）来自不同供应商的产品，以交付给许多客户。生产仓库用于在生产设施中储存原材料、半成品和成品。合同仓库是代表一个或多个客户执行仓库操作的设施。
2.1、仓储活动
在本节中，我们考虑仓库中的物料流。货物由卡车运送，在收货码头卸货。在这里，对交付的货物进行数量验证和随机质量检查。然后，准备将货物运输到储存区。这意味着标签附在负载上，例如条形码或磁性标签。如果内部使用的存储模块（如托盘、手提袋或纸箱）与输入的存储模块不同，则必须重新扫描负载。之后，将货物运输到存储区域内的某个位置。
随后，无论何时请求产品，都必须从存储中检索。这个过程称为拣货单。订单分别列出客户或生产/装配工作站（对于配送中心或生产仓库）要求的产品和数量。当一个订单包含多个SKU时，这些SKU必须在运输到装运区或生产车间之前进行累积和分类。可在订单挑选过程中或之后进行累积和排序。
因此，我们可以将仓库中的活动细分为四类：接收、存储或拣货和装运。英国的一项研究[2]显示，在这些活动中，挑选订单的成本最高。在一个典型的仓库中，超过60%的运营成本可以归因于订单拣货。
2.2、仓储系统类型
物料拣配操作是从存储位置（小于箱拣配）拣配单个物料的操作，而不是将托盘装载移入和移出的允许拣配操作。仓储系统是指在拣货或存储/检索环境中使用的设备和操作流程的组合。就自动化水平而言，我们可以区分三种类型的仓储系统：
（1）人工仓储系统（选择器到生产系统）
（2）自动化仓储系统（产品到选择器系统）
（3）自动仓储系统。
我们将按上述顺序讨论三种类型的仓储系统。
2.3、仓储系统的简要回顾
仓库通常由多个平行的通道组成，产品存放在一侧。正在使用各种各样的存储设备和方法。最简单的储存方法是块式堆放，如用于堆放一箱箱啤酒或软饮料。储物架和模块化储物抽屉通常用于存放小物件。对于较大的物品，通常使用托盘、托盘架、重力流架或移动式货架。有关存储方法的更详细讨论，请参阅[3]。
在前一节中，我们区分了人工、自动化和自动仓储系统。下面，我们将更详细地描述其中的每一个。
2.3.1、人工仓储系统
在手动仓储系统或拣货到产品系统中，订单拣货机沿着拣货位置驾驶车辆。有各种各样的车辆可供选择：我们提到用于手动水平物品拣配的拣货车或集装箱车，以及用于水平和垂直物品拣配（通常，但不一定，仅限于特定通道）的人工装载存储/检索（S/R）机。对于储存/回收操作（完整的托盘负载，见第2.2节），通常使用叉车和各种叉车。
请记住，订单可能包含不同SKU的数量列表（订单中的每个SKU对应于唯一的供应项）。人工拣货可以区分为两种基本方法：单订单拣货和批量拣货。前一种方法表明订单选择器负责完整的订单。后一种方法表明，一个订单选择器同时选择多个订单，通常仅限于仓库中的某个区域（分区）。批量拣配减少了每次拣配的平均行程时间。但是，它要求随后对订单进行排序。订单选择器可以在遍历仓库时对订单进行排序（sort while-pick），也可以将项目集中在一起，然后进行排序（pick and sort）。为了在拣货时应用分拣策略，拣货车必须为单个订单配备单独的集装箱。如果同时应用批处理和分区，则“浪潮式拣货”是一种流行的策略。这一策略意味着所有订单拣货员都会同时在各自的区域拣货。只有当所有的拣货员都完成了他们的任务，下一个“浪潮”才开始。
我们也可以使用输送机来运输挑选的产品，而不是车辆。订单选择器直接将拾取的项目存放在通道内的传送带上。这种操作被称为“拾取到传送带”。
2.3.2、自动化仓储系统
到目前为止，我们讨论的系统都是产品系统的选择器。“旋转木马”是一个产品到选择器系统的例子。转盘是一种计算机控制的仓储系统，用于中小型产品的存储和订单挑选。转盘可以容纳许多不同的产品，这些产品存储在围绕闭环旋转的箱子或抽屉中。订单选择器在传送带前部占据固定位置。根据要求，传送带自动将所需产品的容器旋转到订单选择器的位置。订单选择器可以有效地利用转盘的旋转时间进行诸如分拣、包装和标记检索到的货物等活动。
在某些情况下，订单选择器并行提供两到四个传送带。这种配置的优点是，当订单选择器从一个传送带提取项目时，另一个传送带正在旋转。这会缩短订单选择器的等待时间。“旋转机架”是“水平旋转木马”的一个更具期望的版本，具有每个存储级别都可以独立旋转的额外功能，从而显著减少订单选择器的等待时间。
自动存储/检索系统（AS/RS）也是一个产品到选择器系统。一个或多个平行通道的AS/RS控制器，每个通道旁边有两个高隔间托盘架。在通道内移动存储/回收（S/R）机器或自动堆垛机。S/R机器在安装在地板和天花板上的轨道上运行。在典型配置中，S/R机器可同时承载最多一个托盘。储存用托盘到达输入站，并在储能器传送带处等待，直到S/R机器将其传送到机架中的储存位置。因此，根据先到先得服务（FCF）流程进行存储。S/R机器将回收的货物存放在输出站，然后由运输系统将其送至目的地。S/R机器有三个独立的驱动装置，用于水平、垂直和穿梭运动。由于独立的水平和垂直行程，S/R机器的行程时间由独立的水平和垂直行程时间的最大值来测量。在许多应用中，S/R机器仅限于一个通道。我们可以通过在连接通道的轨道上提供曲线来实现S/R机器在通道之间的移动。为了保证巨型结构的稳定性，起重机必须在曲线上假定徐变速度。使S/R机器能够进入多个通道的另一种可能性是使用穿梭装置在通道之间传输S/R机器。
由于其单位负载能力，S/R机器的操作特性仅限于单指令周期和双指令周期。在单个命令周期中，在输入和输出站的两次连续访问之间执行存储或重新检索。在双命令循环中，S/R机器连续地执行存储，空地移动到检索位置并执行检索。存储和检索位置之间的空行程称为离职间行程。
小负载AS/RS是一种AS/RS，设计用于存储和订购小项目。这些物品储存在模块化储物抽屉或箱子中。这些容器可以细分为多个隔间，每个隔间包含一个特定的SKU。在典型的小型AS/RS操作中，订单选择器位于拣货站通道的末端。拾取站至少包含两个容器位置。当订单选择器在一个拾取位置从容器中提取项目时，S/R机器将另一个拾取位置的容器存储在机架中，并检索下一个容器。此外，还存在每个拣货站具有两个以上拣货位置的小型装载AS/RS，以及带有传送带输送系统的系统，用于将集装箱运输到远程拣货站。小负载AS/RS通常被称为通道末端拣货系统，而不是通道末端拣货系统，如第2.3.1节中讨论的手动拣货系统。
2.3.3、自动仓储系统
自动拣货系统对大小和形状均匀的中小型非易碎物品（如光盘或药品）进行高速拣货。如果我们用机器人替换转盘系统或旋转机架的订单选择器，那么我们就获得了一个自动订单选取系统。
A型架自动售货机是另一种没有拣货机的拣货设备。A型架由传送带组成，传送带两侧的杂志以A型架的形式排列。每个弹匣都包含一个动力机构，自动将物品分配到传送带上。每个订单在传送带（一个单元）上分配一个特定的部分。当电池通过一个maga-zine，其中包含一个由相应订单请求的项目时，该项目将自动分配给通过的电池。在传送带的末端，属于同一订单的物品落在一个箱子或纸箱里。
2.3.4、订单累积和分拣系统
订单累积和排序系统（OASS）用于在订单未以单一订单方式选择时建立订单完整性。OASS有多种类型，从使用配套矩阵的手动分段到大容量自动系统。自动OAS通常由带自动转向机构和累积车道的闭环输送机组成。传感器扫描进入循环的SKU。对应于同一订单的SKU会自动转移到一条车道上。转盘和旋转架也用于订单的积累和分类。
3、仓库管理
仓库中的典型规划问题是库存管理和存储位置分配。智能化的库存管理可以降低仓储成本。例如，通过应用复杂的生产计划和订购政策，我们可以减少总库存，同时保证满意的服务水平。服务级别指定直接从库存供应的订单的百分比。降低库存水平不仅降低了库存成本，而且提高了仓库内拣货作业的效率。显然，在一个小的ER仓库中，拣货的行程时间要短一些。
此外，有效的存储位置登记政策可以减少存储/检索和订单挑选的平均行程时间。此外，通过将活动均匀地分布在仓库子系统上，可以减少拥塞，并更好地平衡子系统之间的活动，从而提高吞吐量。
计划策略定义了控制仓库流程的框架。库存管理和存储位置分配策略决定了哪些产品到达以及应该存储在哪里。控制问题通常涉及订单拣货和存储/检索操作的顺序，从而涉及手动拣货机或S/R机器的路由、基于类或随机位置系统中的产品分配到存储位置、项目内部移动到更具吸引力的检索位置，S/R机的停站点等。
4、仓储模式
在本节中，我们将讨论文献中介绍或最近开发的模型示例，以说明运筹学技术在仓储业务规划中的应用。
库存管理/生产计划决定哪些产品将存储在仓库中以及以什么数量存储。存储位置分配决定产品的存储位置。在这里，我们可以区分转发区域和保留区域，同时确定S/R系统中的基本存储策略（例如，专用、基于类或随机存储）。首先，我们讨论库存管理。
4.1、降低库存水平
智能库存管理/生产计划可以降低库存水平，从而降低存储/检索和订单拣配的运营成本。通过更频繁地交付较小的订购量，可以确定库存减少。但是，如果所有交付同时进行，则所需的总存储空间可能仍然相当大。因此，我们可以通过仔细安排交货时间来进一步减少对存储空间的需求。最终，来自进口卡车的产品会立即转移到出口卡车上，这种现象被称为交叉对接。
经典的库存管理和生产计划模型决定了单个产品的订购和生产策略。Hadley和Whitin[4]考虑对总存储空间有限制的多个产品的库存模型。他们通过解决以下问题来确定所有产品的订购政策，从而最大限度地减少长期库存和单位时间的订购成本
式中，Dj是产品j的需求率（单位：年），Aj是产品j的固定订购成本，Cj是产品j的单位可变采购成本，r是年度库存携带成本率，Qj是产品j的订购数量，f
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资料编号：[3061]
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